體育場(chǎng)工程鋼結(jié)構(gòu)管桁架現(xiàn)場(chǎng)焊接技術(shù)

祁會(huì)祥

山西體育中心主體育場(chǎng)罩棚鋼結(jié)構(gòu)為管桁架結(jié)構(gòu),主要包含V形支撐柱、主桁架、環(huán)桁架、次桁架、立面網(wǎng)格、系桿、水平支撐、馬道等,主要鋼材的材質(zhì)為Q345B,局部采用 Q345GJC。

本工程現(xiàn)場(chǎng)焊接主要包括以下內(nèi)容:

1)桁架上下弦對(duì)接及腹桿對(duì)接;2)鋼管相貫焊縫焊接;3)內(nèi)外環(huán)支座底板與十字插板之間的T焊縫焊接;4)十字插板與V形支撐柱之間熔透焊縫的焊接。

由于本工程除馬道采用螺栓連接外,其余部位均采用焊接連接,故現(xiàn)場(chǎng)焊接工作量巨大,焊接質(zhì)量十分重要,并關(guān)系到整體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和安全。

1 現(xiàn)場(chǎng)焊接特點(diǎn)及難點(diǎn)

1)本工程結(jié)構(gòu)鋼材以Q345B等合金高強(qiáng)鋼為主,其焊接性能較好。只是隨著強(qiáng)度級(jí)別的增加,淬硬性和冷裂傾向會(huì)隨之增大。2)整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)用量約7 100 t,高空環(huán)境條件下對(duì)焊工操作影響較大。高空風(fēng)速較大,并且貫穿于現(xiàn)場(chǎng)焊接施工全過(guò)程,尤其是對(duì)氣體保護(hù)焊的影響比較大。3)本工程為空間管桁架結(jié)構(gòu),桿件截面均為圓鋼管,節(jié)點(diǎn)類型為相貫節(jié)點(diǎn)。桿件數(shù)量眾多,焊接工作量大。4)本工程中主桁架肩部弧形段主弦桿和V形支撐柱采用了厚壁鋼管。鋼管厚度的增加一方面會(huì)加大焊縫金屬熔敷量,從而造成焊接變形及應(yīng)力的增大,同時(shí)焊縫裂紋敏感性相應(yīng)加大。5)本工程現(xiàn)場(chǎng)焊接主要為鋼管桁架的拼裝焊接、鋼管對(duì)接焊接等,焊接位置較為困難,不利于保證焊接質(zhì)量。

2 焊接材料及焊接設(shè)備

2.1 焊接材料選用

本工程的鋼材材質(zhì)主要為Q345GJC和Q345B。根據(jù)焊接方法的不同,焊材選擇見(jiàn)表1。

表1 焊材選擇

保護(hù)氣體為 CO2,純度 99.98%(露點(diǎn)不大于-40℃),焊接材料采用氫含量較低的焊材。焊接材料的選用原則與母材強(qiáng)度等強(qiáng),焊接不同類別的鋼材時(shí),選用與強(qiáng)度級(jí)別較低母材相匹配的焊材。

2.2 焊接及相關(guān)設(shè)備

現(xiàn)場(chǎng)主要焊接設(shè)備見(jiàn)表2。

表2 現(xiàn)場(chǎng)主要焊接設(shè)備

3 焊工資質(zhì)及培訓(xùn)

3.1 焊工資質(zhì)

1)焊工應(yīng)具有相應(yīng)的合格證書(shū),并在有效期內(nèi)。2)焊工應(yīng)具備全位置焊接水平。3)嚴(yán)禁無(wú)證上崗,或者低級(jí)焊高級(jí)別。

3.2 焊工培訓(xùn)

1)焊工技術(shù)培訓(xùn)。對(duì)所有從事本工程焊接的焊工進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)、考核,主要根據(jù)焊接節(jié)點(diǎn)形式、焊接方法、焊接操作及焊工位置,以達(dá)到工程所需的焊接技能水平。2)高空焊接技術(shù)培訓(xùn)。由于工程結(jié)構(gòu)高度很高,在高空環(huán)境下,對(duì)焊工的素質(zhì)提出了更高的要求。所以還必須有針對(duì)性的進(jìn)行高空焊接培訓(xùn),從而適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的需要,提高焊接質(zhì)量。

4 焊接工藝

4.1 定位焊

1)應(yīng)距設(shè)計(jì)焊縫端部30 mm以上,焊縫長(zhǎng)度應(yīng)為50 mm～100 mm,間距應(yīng)為400 mm～600 mm。2)正式焊接開(kāi)始前或正式焊接中,發(fā)現(xiàn)定位焊有裂紋,應(yīng)徹底清除定位焊后,再進(jìn)行正式焊接。3)對(duì)于焊接墊板,在構(gòu)件固定端的背面定位焊。當(dāng)兩個(gè)構(gòu)件組對(duì)完畢,活動(dòng)端無(wú)法從背面點(diǎn)焊,應(yīng)當(dāng)在坡口內(nèi)定位焊,當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)到要求時(shí),采用定位焊順序?yàn)閺钠驴谥虚g往兩端進(jìn)行,以防止墊板變形。

4.2 焊接預(yù)熱、層間溫度和焊接環(huán)境

1)對(duì)于厚度大于36 mm的低合金鋼應(yīng)采用焊前預(yù)熱和焊后熱處理措施,預(yù)熱及焊后熱處理的溫度應(yīng)根據(jù)焊接工藝試驗(yàn)評(píng)定報(bào)告確定。要平衡加熱量,使焊接變形和收縮量減少。本工程厚板焊接焊縫適用的焊接預(yù)熱溫度和層間溫度按JGJ 81-2002,GB 50205-2001和JB/T 4709-2000規(guī)定執(zhí)行。2)焊接接頭兩端板厚不同時(shí),應(yīng)按厚板確定預(yù)熱溫度;焊接接頭材質(zhì)不同時(shí),按強(qiáng)度高、含碳量高的鋼材確定預(yù)熱溫度。3)厚板焊前預(yù)熱及層間溫度的保持優(yōu)先采用電加熱器,板厚25 mm以下也可用火焰加熱器加熱,并采用專用的接觸式熱電偶測(cè)溫儀測(cè)量。4)預(yù)熱的加熱區(qū)域應(yīng)在焊縫兩側(cè),加熱寬度應(yīng)各為焊件待焊處厚度的1.5倍以上,且不小于100 mm;預(yù)熱溫度可能時(shí)應(yīng)在焊件反面測(cè)量,測(cè)量點(diǎn)應(yīng)在離電弧經(jīng)過(guò)前的焊接點(diǎn)各方向不小于75 mm處,圓管桿件對(duì)接時(shí)不能在焊件反面測(cè)量,則應(yīng)根據(jù)板厚不同適當(dāng)提高正面預(yù)熱溫度,以便使全板厚達(dá)到規(guī)定的預(yù)熱溫度;當(dāng)用火焰加熱器時(shí)正面測(cè)量應(yīng)在加熱停止后進(jìn)行。5)焊接返修處的預(yù)熱溫度應(yīng)高于正常預(yù)熱溫度50℃左右,預(yù)熱區(qū)域應(yīng)適當(dāng)加寬,以防止發(fā)生焊接裂紋。6)層間溫度范圍的最低值與預(yù)熱溫度相同,其最高值應(yīng)滿足母材熱影響區(qū)不過(guò)熱的要求,焊接層間溫度低于250℃。7)預(yù)熱操作及測(cè)溫人員須經(jīng)培訓(xùn),以確保規(guī)定加熱制度的準(zhǔn)確執(zhí)行。8)有焊后消氫熱處理要求時(shí),焊件應(yīng)在焊接完成后立即加熱到300℃～350℃。保溫時(shí)間根據(jù)板厚按每25 mm板厚不小于0.5 h且不大于1 h確定,達(dá)到保溫時(shí)間后用巖棉被包裹緩冷。其加熱、測(cè)溫方法和操作人員培訓(xùn)要求與預(yù)熱相同。9)相對(duì)濕度80%以上,或因降雨、雪等使母材表面潮濕及大風(fēng)天氣(風(fēng)速大于8 m/s),不得進(jìn)行露天焊接;但焊工及被焊接部分如果被充分保護(hù)且對(duì)母材采取適當(dāng)處置(如加熱、去潮)時(shí),可進(jìn)行焊接。10)當(dāng)采用 CO2半自動(dòng)氣體保護(hù)焊時(shí),環(huán)境風(fēng)速大于2 m/s時(shí)應(yīng)采用適當(dāng)?shù)膿躏L(fēng)措施或采用抗風(fēng)式焊機(jī)。

4.3 焊接順序

1)先焊主弦桿管與管之間的對(duì)接焊縫;2)再焊斜腹桿與主弦桿的相貫焊縫、腹桿與腹桿的對(duì)接焊縫;3)焊完一條后再轉(zhuǎn)入另一條焊接,同一管子的兩條焊縫不得同時(shí)焊接;4)焊接時(shí)應(yīng)由中間往兩邊對(duì)稱跳焊,防止扭曲變形(見(jiàn)圖1)。

4.4 典型焊縫的焊接工藝

4.4.1 管—管對(duì)接

每條環(huán)焊縫由兩名焊工對(duì)稱施焊;采用多層多道焊;根部用φ 2.5 mm或φ 3.2 mm 焊條打底焊1層～2層,其他用φ 4 mm 或φ 5 mm焊條填充、蓋面。

4.4.2 相貫口焊接

相貫焊縫應(yīng)對(duì)稱施焊,多層多道焊;熔透部位采用φ 2.5 mm的焊絲打底,或直接采用手工電弧焊φ 2.5 mm或φ 3.2 mm焊條打底,但要確保單面焊雙面成型,其他采用φ 4 mm或φ 5 mm焊條填充、蓋面;一個(gè)節(jié)點(diǎn)往往有多條相貫焊縫,焊縫集中。一條相貫焊縫焊接完畢冷卻后,再焊相鄰的相貫焊縫,以防止應(yīng)力集中,減小焊接變形。焊接時(shí),應(yīng)先焊坡口大,變形大的區(qū)域,對(duì)于Y形節(jié)點(diǎn),先焊A,D區(qū),后焊C,B區(qū),且先焊趾部再焊根部。T形節(jié)點(diǎn)先焊趾部,后焊?jìng)?cè)邊。

4.5 焊后處理

焊后處理包括后熱及消氫處理,后熱溫度一般為150℃～250℃,消氫溫度則是在300℃～400℃,加熱好后保溫一段時(shí)間。目的都是加速焊接中氫的擴(kuò)散逸出,消氫處理比后熱處理效果更好。根據(jù)以往工程的經(jīng)驗(yàn),對(duì)于一般拘束接頭可采用焊后緩冷措施,不會(huì)產(chǎn)生氫致延遲裂紋。

4.6 焊縫質(zhì)量檢查

1)焊接過(guò)程中檢查。在施焊過(guò)程中,焊接人員應(yīng)時(shí)刻注意焊縫成型質(zhì)量,并做出相應(yīng)調(diào)整。經(jīng)常檢查焊接相關(guān)設(shè)施參數(shù),若發(fā)現(xiàn)焊縫成型不夠理想應(yīng)立即做出調(diào)整,并報(bào)告現(xiàn)場(chǎng)焊接負(fù)責(zé)人。

2)外觀檢驗(yàn)。焊接完成后,首先清理表面的溶渣及兩側(cè)飛濺物,待焊縫冷卻到環(huán)境溫度后進(jìn)行焊縫檢驗(yàn),Q345級(jí)鋼材應(yīng)以焊接完成24 h后檢查結(jié)果作為驗(yàn)收依據(jù)。檢驗(yàn)方法按照GB 50205-2001鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范及JGJ 81-2002建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程執(zhí)行。

3)無(wú)損檢驗(yàn)方案。本工程設(shè)計(jì)焊縫均要求與母材等強(qiáng),焊縫質(zhì)量應(yīng)符合JGJ 81-2002建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn);一級(jí)焊縫需100%進(jìn)行超聲波探傷,二級(jí)焊縫20%進(jìn)行超聲波探傷。

4.7 缺陷修復(fù)和矯正

1)焊縫表面缺陷超標(biāo)時(shí)對(duì)氣孔、夾渣、焊瘤、余高過(guò)大等缺陷應(yīng)用砂輪打磨、鏟鑿、鉆、銑等方法去除,必要時(shí)進(jìn)行補(bǔ)焊,對(duì)焊縫尺寸不足、咬邊、弧坑未填滿等進(jìn)行補(bǔ)焊。焊縫或母材上的裂紋:用磁粉檢查法或滲透法確定裂縫的大小,然后用碳弧氣刨刨掉裂紋,重新焊接。2)經(jīng)NDT檢查的內(nèi)部超標(biāo)缺陷進(jìn)行返修時(shí)應(yīng)先確定位置,編寫返修方案并將返修方案及時(shí)上報(bào)監(jiān)理。3)返修前先用砂輪和碳弧氣刨清除缺陷,缺陷為裂紋時(shí)氣刨前應(yīng)在裂紋兩端鉆止裂孔,并清除裂紋兩端各50 mm長(zhǎng)焊縫或母材。4)清除缺陷時(shí)刨槽加工成四側(cè)邊斜面角大于10°u30340X坡口,必要時(shí)用砂輪清除滲碳層,用MT,PT檢查裂紋是否清除干凈。5)補(bǔ)焊時(shí)應(yīng)在坡口內(nèi)引弧,熄弧時(shí)應(yīng)填滿焊坑,多層焊的焊層之間接頭應(yīng)錯(cuò)開(kāi)。當(dāng)焊縫長(zhǎng)度超過(guò)500 mm～800 mm時(shí),應(yīng)采用分段退焊法。6)返修部位應(yīng)連續(xù)焊成,如中斷焊接時(shí)應(yīng)采取后熱、保溫措施,再次焊時(shí)應(yīng)用MT,PT確認(rèn)無(wú)裂紋時(shí)方可焊接。7)補(bǔ)焊預(yù)熱溫度應(yīng)比正常預(yù)熱高。根據(jù)工程節(jié)點(diǎn)決定優(yōu)選焊接工藝,如:采用低氫焊接材料和方法,后熱處理等。補(bǔ)焊應(yīng)用直徑不大于4.0 mm的低氫型焊條,此時(shí)提高預(yù)熱溫度50℃。8)焊縫正反面各作為一個(gè)部位,同一部位返修不宜超過(guò)兩次。9)對(duì)兩次返修仍不合格的部位應(yīng)認(rèn)真查找原因,重新編寫返修方案,經(jīng)本單位工程技術(shù)負(fù)責(zé)人審核并報(bào)監(jiān)理,審批認(rèn)可方可執(zhí)行。10)因焊接產(chǎn)生變形的構(gòu)件,應(yīng)用機(jī)械方法或火焰加熱法進(jìn)行矯正,熱矯正溫度不應(yīng)超過(guò)900℃,熱機(jī)械共用的矯正方法應(yīng)避免200℃～400℃的藍(lán)脆溫度區(qū),加熱后應(yīng)緩慢冷卻至室溫,嚴(yán)禁用水急冷。11)返修焊接應(yīng)填報(bào)施工記錄及返修前后無(wú)損檢測(cè)報(bào)告,作為工程驗(yàn)收及存檔資料。

5 焊接作業(yè)安全注意事項(xiàng)

1)焊工必須持有安全操作證方可上崗。2)上崗前焊工要接受安全交底。3)焊工應(yīng)穿戴好勞防用品。4)焊機(jī)接地要良好,防止觸電事故發(fā)生。5)作業(yè)前對(duì)腳手架、操作平臺(tái)等臨時(shí)設(shè)施進(jìn)行檢查,確保安全可靠后方可上人作業(yè)。6)高空作業(yè)要系好安全帶,高掛低用。7)高空作業(yè)不得往下丟焊條頭等雜物。8)作業(yè)區(qū)不得有易燃、易爆物品,防止火災(zāi)、爆炸發(fā)生。9)焊接完后及時(shí)關(guān)閉焊機(jī)開(kāi)關(guān),將焊鉗放在絕緣物品上或懸掛起來(lái),不得與構(gòu)件接觸。10)多人操作時(shí),應(yīng)采取有效措施防止弧光的傷害。11)焊后將焊縫表面熔渣及焊縫附近的飛濺物清除干凈,將焊條頭等雜物清除干凈,保證作業(yè)區(qū)的整潔。

[1] 張 琳,王興德.鈦管焊接施工技術(shù)[J].山西建筑,2009,35(28):138-139.